近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院（簡稱“深圳先進(jìn)院”）碳中和研究所低維能源材料中心的成會明院士、丁寶福副研究員團(tuán)隊與清華大學(xué)深圳國際研究生院的劉碧錄教授團(tuán)隊，中科院半導(dǎo)體所魏大海研究院團(tuán)隊合作，首次發(fā)現(xiàn)了二維六方氮化硼(h-BN)液晶具有巨磁光效應(yīng)，其磁光克頓-穆頓效應(yīng)高出傳統(tǒng)深紫外雙折射介質(zhì)近5個數(shù)量級，進(jìn)而研制出首個穩(wěn)定工作在深紫外日盲區(qū)的透射式液晶光調(diào)制器。

　　最新研究論文以“Magnetically tunable and stable deep-ultraviolet birefringent optics using two-dimensional hexagonal boron nitride”為題，于近期正式發(fā)表并出版在Nature Nanotechnology雜志上[1]。丁寶福副研究員、成會明院士和清華大學(xué)深圳國際研究生院劉碧錄副教授為共同通訊作者。 

　　文章上線截圖 

　　雙折射是引起偏振光相位延遲的一個基本光學(xué)參數(shù)。有機(jī)液晶因其雙折射可受外場連續(xù)調(diào)制，而被廣泛用作光調(diào)制器的核心材料。然而傳統(tǒng)有機(jī)液晶在深紫外光照射下吸收強(qiáng)且不穩(wěn)定，限制了液晶光調(diào)制器僅能工作在可見及部分紅外光波段，尚無法工作在紫外及深紫外波段。與此同時，透射式深紫外光調(diào)制器在紫外醫(yī)學(xué)成像、半導(dǎo)體光刻加工、日盲區(qū)光通訊等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。因此，尋找一種在深紫外光譜區(qū)穩(wěn)定、透明度高及具有場致雙折射效應(yīng)的新型液晶材料，有望實現(xiàn)透射式深紫外液晶光調(diào)制器從無到有的突破。 

六方氮化硼無機(jī)二維液晶及其磁控光開關(guān)效應(yīng) 

　　基于上述考慮，團(tuán)隊成員研制出了一種基于二維六方氮化硼無機(jī)液晶的磁光調(diào)制器，采用的氮化硼二維材料具有極大的光學(xué)各向異性因子（6.5 × 10^-12C²J^-1m^-1）、巨比磁光克頓-穆頓系數(shù)（8.0 × 10⁶T^-2m^-1）、高循環(huán)工作穩(wěn)定性（270次循環(huán)工作后性能保留率高達(dá)99.7%）和超寬帶隙等優(yōu)點。所研究的二維六方氮化硼是通過 “自上而下”的高粘度純?nèi)軇┹o助研磨法剝離制備而成。由于其超寬的帶隙，二維六方氮化硼液晶在可見、紫外和部分深紫外光譜區(qū)具有極高透明度。在磁場作用下，基于二維六方氮化硼液晶的磁光器件在正交偏振片下呈現(xiàn)了明顯的磁控光開關(guān)效應(yīng)。 

　六方氮化硼無機(jī)二維液晶的磁致排列和磁致雙折射效應(yīng)表征 

　　團(tuán)隊成員通過觀察入射光偏振態(tài)與磁場作用下液晶透射率關(guān)系的實驗揭示了二維六方氮化硼在外場作用下順磁場的排布方式。在入射光的偏振態(tài)被調(diào)整為平行和垂直于磁場的兩種狀態(tài)下，后者呈現(xiàn)較高的光透射率，間接印證了二維六方氮化硼納米片平行于磁場方向排布。針對層狀二維六方氮化硼薄膜的磁化率各向異性測試揭示了面內(nèi)易磁化方向，進(jìn)一步證實了二維六方氮化硼納米片順磁場排布的物理機(jī)制。結(jié)合二維氮化硼納米片的極大的光學(xué)各向異性，因此發(fā)現(xiàn)了二維六方氮化硼液晶的巨磁致雙折射效應(yīng)。 

　　基于六方氮化硼無機(jī)二維液晶的深紫外光調(diào)制器性能研究及對比 

　　該團(tuán)隊選用波長處于深紫外UV-C日盲區(qū)的266 nm激光，測試二維氮化硼液晶在該光譜區(qū)的光學(xué)調(diào)制性能。通過開啟和關(guān)閉0.8 特斯拉的磁場，實現(xiàn)了該調(diào)制器在深紫外光波段的透明與不透明兩種狀態(tài)之間的切換。經(jīng)過270個不間斷開關(guān)循環(huán)測試后，性能的保持率高達(dá)99.7%。 

　　鑒于二維材料家族成員龐大、帶隙覆蓋寬，基于無機(jī)超寬帶隙二維材料液晶的光調(diào)制器其光譜覆蓋范圍有望向更短深紫外波段延伸，促進(jìn)液晶光調(diào)制器在深紫外光刻、高密度數(shù)據(jù)存儲、深紫外光通訊和生物醫(yī)療成像重要領(lǐng)域的應(yīng)用。   

　　該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、廣東省科技廳、深圳市科創(chuàng)委等部門的支持。